Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Động cơ đốt trong là nguồn động lực chính trên các dòng xe thương mại và vận tải hành khách. Việc nghiên cứu, tính toán chu trình nhiệt động và phân tích động lực học cơ cấu cơ khí có ý nghĩa quan trọng nhằm kiểm chứng hiệu suất công tác, độ cân bằng cũng như các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ trong điều kiện vận hành thực tế. Đề tài bài tập lớn môn Tính toán Động cơ Đốt trong tập trung khảo sát động cơ Diesel tăng áp trang bị trên dòng xe Mercedes Benz Sprinter (phiên bản 2008), do nhóm sinh viên Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lý Vĩnh Đạt.

Nhiệm vụ nghiên cứu được văn bản xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Tính toán nhiệt chu trình công tác của động cơ Diesel tăng áp và xây dựng giản đồ công chỉ thị $P - V$.
  2. Tính toán động học cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền, bao gồm xác định quy luật chuyển vị ($S_p$), vận tốc ($V_p$) và gia tốc ($J_p$) của piston.
  3. Tính toán động lực học cơ cấu máy, xác định lực khí thể ($P_{kt}$), lực quán tính của các khối lượng chuyển động ($P_j$) và lực tổng hợp ($P_1$ hay $P_\Sigma$) tác dụng lên cơ cấu.
  4. Xây dựng các bản vẽ đồ thị kỹ thuật gồm: bản vẽ đồ thị công chỉ thị $P - V$, bản vẽ đồ thị các lực $P_{kt}, P_j, P_1$ và bản vẽ đồ thị động học $S_p, V_p, J_p$.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ Diesel 4 kỳ, 4 xi lanh, tăng áp lắp trên xe Mercedes Benz Sprinter 2008 với các thông số định mức ban đầu: công suất cực đại $P_{Max} = 80\text{ kW}$ tại số vòng quay $n = 3600\text{ vòng/phút}$, mô-men xoắn cực đại $T_{Max} = 275\text{ N.m}$ tại $n = 2400\text{ vòng/phút}$, tỉ số nén $\varepsilon = 18$, thể tích công tác $V_d = 2100\text{ cm}^3$ (2,1 lít), hành trình piston $S = 88,3\text{ mm}$, đường kính xi lanh $B = 88\text{ mm}$.
  • Phạm vi nghiên cứu: Tính toán nhiệt động lực học và động lực học cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền giao tâm tại chế độ làm việc toàn tải ở tốc độ định mức; thực hiện tại Bộ môn Tính toán Động cơ Đốt trong, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM vào tháng 11 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Văn bản sử dụng hệ thống lý thuyết tính toán nhiệt động cơ đốt trong theo phương pháp giải tích truyền thống kết hợp các công thức thực nghiệm chuyên ngành cơ khí động lực:

  • Khung lý thuyết tính toán nhiệt: Dựa trên mô hình chu trình nhiệt động thực tế của động cơ Diesel 4 kỳ có tăng áp khí nạp. Phương pháp xác định các thông số trạng thái môi chất công tác tại các điểm đặc trưng của chu trình: quá trình nạp mới, nén đa biến với chỉ số $n_1$, quá trình cháy hỗn hợp (cháy đẳng tích và cháy đẳng áp), quá trình giãn nở đa biến với chỉ số $n_2$ và quá trình thải khí sót.
  • Khung lý thuyết động học và động lực học cơ cấu: Áp dụng mô hình cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền giao tâm. Quy luật chuyển động của piston và lực tác dụng được giải tích dựa trên phương pháp khai triển gần đúng theo góc quay trục khuỷu $\alpha$ và thông số kết cấu $\lambda = R/L$. Khối lượng các chi tiết chuyển động phức tạp (thanh truyền, trục khuỷu) được quy dẫn về hai khối lượng tập trung: khối lượng chuyển động tịnh tiến ($m_A$) và khối lượng chuyển động quay ($m_B$).
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp giải tích nhiệt động học: Thiết lập và giải hệ phương trình cân bằng năng lượng, phương trình trạng thái khí lý tưởng để tìm áp suất, nhiệt độ tại các điểm nút của chu trình.
    • Phương pháp động lực học giải tích: Lập bảng số liệu tính toán chi tiết quy luật động học và lực tác dụng theo từng góc quay trục khuỷu $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $720^\circ$.
    • Phương pháp mô phỏng số và đồ họa kỹ thuật: Sử dụng ngôn ngữ lập trình MATLAB để số hóa dữ liệu tính toán, nội suy spline các đoạn hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị ($r-r', c'-c'', c''-z'', b'-b''$) và xuất đồ thị chuyển vị, vận tốc, gia tốc, lực khí thể, lực quán tính, lực tổng hợp.
  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật của xe Mercedes Benz Sprinter 2008; các bảng tra hệ số kinh nghiệm từ giáo trình Động cơ đốt trong 2.

Thiết kế và triển khai tính toán mô phỏng

Mô hình tính toán được triển khai thông qua các tham số hình học và đoạn mã lập trình giải tích trên nền tảng MATLAB.

Thông số hình học và cơ cấu

Cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền là dạng cơ cấu giao tâm có các kích thước hình học chính:

  • Bán kính quay trục khuỷu: $R = S/2 = 88\text{ mm} / 2 = 44\text{ mm} = 0,044\text{ m}$.
  • Thông số kết cấu động cơ: chọn $\lambda = R/L = 0,25$.
  • Chiều dài thanh truyền: $L = R / \lambda = 0,044 / 0,25 = 0,176\text{ m} = 176\text{ mm}$.
  • Vận tốc góc của trục khuỷu ở tốc độ $n = 3600\text{ vòng/phút}$: $$\omega = \frac{\pi \cdot n}{30} = \frac{\pi \cdot 3600}{30} = 120\pi \approx 376,99\text{ rad/s}$$

Thuật toán và mô phỏng trên MATLAB

Thuật toán xây dựng đồ thị công chỉ thị $P - V$ và phân tích lực trong MATLAB được thực hiện theo các bước:

  1. Khai báo các thông số ban đầu ($S, D, R, \lambda, \varepsilon, n_1, n_2, p_0, p_a, p_z, p_b, p_r, \omega$).
  2. Thiết lập vector góc quay $\alpha$ bằng hàm linspace từ $0^\circ$ đến $720^\circ$.
  3. Tính toán tọa độ các điểm đặc trưng trên giản đồ công $P - V$: điểm cuối nạp ($a$), điểm cuối nén ($c$), điểm cực đại áp suất ($z$), điểm cuối giãn nở ($b$), điểm khí sót ($r$).
  4. Xử lý hiệu chỉnh các pha phân phối khí bằng hàm nội suy interp1(..., 'spline'): hiệu chỉnh đoạn đóng muộn supap thải ($r-r'$ với $\beta_2 = 3^\circ$), đoạn phun sớm ($c'-c''$ với góc phun sớm $15^\circ$), đoạn cháy áp suất cực đại ($c''-z''$), đoạn mở sớm supap thải ($b'-b''$ với $\beta_1 = 52^\circ$).
  5. Lập trình tính toán động học piston: $S_p(\alpha), V_p(\alpha), J_p(\alpha)$.
  6. Lập trình tính toán phân tích lực: lực khí thể $P_{kt}(\alpha)$, lực quán tính tịnh tiến $P_j(\alpha)$, và cộng hợp lực tổng $P_1(\alpha) = P_{kt}(\alpha) + P_j(\alpha)$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tính toán nhiệt

Chương 1 thực hiện tính toán các thông số nhiệt động của chu trình công tác động cơ Diesel 4 kỳ tăng áp tại chế độ công suất cực đại $P_{Max} = 80\text{ kW}$ ở số vòng quay $n = 3600\text{ vòng/phút}$.

1. Các thông số chọn ban đầu

  • Áp suất không khí nạp: $p_0 = 0,1\text{ MN/m}^2$.
  • Nhiệt độ không khí nạp mới: $T_0 = t_{kk} + 273 = 30 + 273 = 303\text{ K}$.
  • Áp suất khí nạp trước supap nạp (động cơ tăng áp): $p_k = 0,12\text{ MN/m}^2$.
  • Nhiệt độ khí nạp trước supap nạp: $$T_k = T_0 \cdot \left(\frac{p_k}{p_0}\right)^{\frac{m-1}{m}} - \Delta T_m = 303 \cdot \left(\frac{0,12}{0,1}\right)^{\frac{1,4-1}{1,4}} - 20 = 299,2\text{ K}\quad (m = 1,4)$$
  • Áp suất cuối quá trình nạp: $p_a = 0,9 \cdot 0,12 = 0,108\text{ MN/m}^2$.
  • Áp suất khí sót: $p_r = 1,03 \cdot 0,1 = 0,103\text{ MN/m}^2$.
  • Nhiệt độ khí sót: $T_r = 800\text{ K}$.
  • Độ tăng nhiệt độ khí nạp mới: $\Delta T = 20\text{ K}$.
  • Hệ số nạp thêm: $\lambda_1 = 1,05$.
  • Hệ số quét buồng cháy: $\lambda_2 = 0,2$.
  • Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt: $\lambda_t = 1,11$.
  • Hệ số lợi dụng nhiệt tại điểm $z$: $\xi_z = 0,75$; tại điểm $b$: $\xi_b = 0,91$.
  • Hệ số dư lượng không khí: $\alpha = 1,8$.
  • Hệ số điền đầy đồ thị công: $\varphi_d = 0,92$.
  • Tỷ số tăng áp: $\lambda = P_z / P_c = 1,6$.

2. Tính toán các quá trình công tác

  • Quá trình nạp:
    • Hệ số nạp: $\eta_v = 0,9272$ (tương đương $92,72%$).
    • Hệ số khí sót: $\gamma_r = 0,004$.
    • Nhiệt độ cuối quá trình nạp: $T_a = 321,5\text{ K}$.
  • Quá trình nén:
    • Chỉ số nén đa biến trung bình: $n_1 = 1,37$.
    • Áp suất cuối quá trình nén: $P_c = p_a \cdot \varepsilon^{n_1} = 0,108 \cdot 18^{1,37} = 5,664\text{ MN/m}^2$.
    • Nhiệt độ cuối quá trình nén: $T_c = T_a \cdot \varepsilon^{n_1 - 1} = 321,5 \cdot 18^{1,37 - 1} = 936,77\text{ K}$.
  • Quá trình cháy:
    • Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy $1\text{ kg}$ nhiên liệu: $M_0 = 0,4946\text{ kmol kk/kg nl}$.
    • Lượng khí nạp mới thực tế: $M_1 = \alpha \cdot M_0 = 1,8 \cdot 0,495 = 0,891\text{ kmol kk/kg nl}$.
    • Lượng sản vật cháy: $M_2 = 0,922\text{ kmol SVC/kg nl}$.
    • Hệ số biến đổi phân tử khí lý thuyết: $\beta_0 = 1,035$; thực tế: $\beta = 1,035$; tại điểm $z$: $\beta_z = 1,0278$.
    • Nhiệt độ cuối quá trình cháy: $T_z = 2053,2\text{ K}$.
    • Áp suất cuối quá trình cháy: $P_z = \lambda \cdot P_c = 1,6 \cdot 5,664 = 9,0624\text{ MN/m}^2$.
  • Quá trình giãn nở:
    • Tỷ số giãn nở đầu: $\rho = 1,41$.
    • Tỷ số giãn nở sau: $\delta = \varepsilon / \rho = 18 / 1,41 = 12,77$.
    • Chỉ số giãn nở đa biến trung bình: $n_2 = 1,25$.
    • Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở: $T_b = 1086,1\text{ K}$.
    • Áp suất cuối quá trình giãn nở: $P_b = 0,375\text{ MN/m}^2$.
    • Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót: $T_r = 750,8\text{ K}$, độ sai lệch so với giả thiết ban đầu: $$\Delta T_r = \left|\frac{750,8 - 800}{800}\right| = 6,15% < 10%\quad (\text{đạt yêu cầu})$$

3. Các thông số đặc trưng của chu trình và kết cấu

  • Áp suất chỉ thị trung bình tính toán: $P'_i = 1,043\text{ MN/m}^2$.
  • Áp suất chỉ thị trung bình thực tế: $P_i = \varphi_d \cdot P'_i = 0,92 \cdot 1,043 = 0,96\text{ MN/m}^2$.
  • Áp suất tổn thất cơ khí: $P_m = 0,182\text{ MN/m}^2$.
  • Áp suất có ích trung bình: $P_e = P_i - P_m = 0,96 - 0,182 = 0,778\text{ MN/m}^2$.
  • Hiệu suất chỉ thị: $\eta_i = 44,96%$.
  • Hiệu suất cơ giới: $\eta_m = 81%$.
  • Hiệu suất có ích: $\eta_e = 36,44%$.
  • Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị: $g_i = 0,19\text{ kg/kW.h}$.
  • Thông số kết cấu xilanh:
    • Thể tích công tác 1 xilanh: $V_h = V_d / 4 = 2,1 / 4 = 0,525\text{ lít}$.
    • Thể tích buồng cháy: $V_c = V_h / (\varepsilon - 1) = 0,525 / (18 - 1) = 0,03\text{ lít}$.
    • Thể tích toàn bộ xilanh: $V_a = V_c + V_h = 0,03 + 0,525 = 0,555\text{ lít}$.
STT Thông số nhiệt động Ký hiệu Giá trị Đơn vị
1 Số vòng quay động cơ $n_e$ 3600 vòng/phút
2 Công suất có ích $N_e$ 80 kW
3 Tỉ số nén $\varepsilon$ 18 -
4 Số xilanh $i$ 4 -
5 Hệ số dư lượng không khí $\alpha$ 1,8 -
6 Hệ số nạp $\eta_v$ 92,72 %
7 Hiệu suất cơ giới $\eta_m$ 81 %
8 Hiệu suất chỉ thị $\eta_i$ 44,96 %
9 Hiệu suất có ích $\eta_e$ 36,44 %
10 Chỉ số nén đa biến $n_1$ 1,37 -
11 Chỉ số giãn nở đa biến $n_2$ 1,25 -
12 Nhiệt độ môi trường nạp $T_0$ 303 K
13 Nhiệt độ khí nạp trước xupap $T_k$ 299,2 K
14 Nhiệt độ cuối quá trình nạp $T_a$ 321,5 K
15 Nhiệt độ cuối quá trình nén $T_c$ 936,77 K
16 Nhiệt độ cuối quá trình cháy $T_z$ 2053,2 K
17 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở $T_b$ 1086,1 K
18 Nhiệt độ khí sót tính toán $T_r$ 750,8 K
19 Áp suất khí quyển $p_0$ 0,1 $\text{MN/m}^2$
20 Áp suất trước xupap nạp $p_k$ 0,12 $\text{MN/m}^2$
21 Áp suất cuối nạp $p_a$ 0,108 $\text{MN/m}^2$
22 Áp suất cuối nén $P_c$ 5,664 $\text{MN/m}^2$
23 Áp suất cực đại của chu trình $P_z$ 9,0624 $\text{MN/m}^2$
24 Áp suất cuối giãn nở $P_b$ 0,375 $\text{MN/m}^2$
25 Áp suất khí sót $P_r$ 0,103 $\text{MN/m}^2$
26 Áp suất chỉ thị trung bình $p_i$ 0,96 $\text{MN/m}^2$
27 Áp suất tổn thất cơ khí $p_m$ 0,182 $\text{MN/m}^2$
28 Áp suất có ích trung bình $p_e$ 0,778 $\text{MN/m}^2$
29 Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị $g_i$ 0,19 kg/kW.h

4. Các điểm đặc biệt trên đồ thị công chỉ thị $P - V$

  • Điểm $a$ (cuối nạp): $V_a = 0,555\text{ lít}$, $P_a = 0,108\text{ MPa}$, $T_a = 321,5\text{ K}$.
  • Điểm $c$ (cuối nén): $V_c = 0,03\text{ lít}$, $P_c = 5,664\text{ MPa}$, $T_c = 936,77\text{ K}$.
  • Điểm $z$ (cuối cháy): $V_z = \rho \cdot V_c = 1,41 \cdot 0,03 = 0,04\text{ lít}$, $P_z = 9,0624\text{ MPa}$, $T_z = 2053,2\text{ K}$.
  • Điểm $b$ (cuối giãn nở): $V_b = V_a = 0,555\text{ lít}$, $P_b = 0,375\text{ MPa}$, $T_b = 1086,1\text{ K}$.
  • Điểm $r$ (cuối thải): $V_r = V_c = 0,03\text{ lít}$, $P_r = 0,103\text{ MPa}$, $T_r = 800\text{ K}$.

Chương 2: Tính toán động học và động lực học của cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền

Chương 2 khảo sát chi tiết chuyển động hình học của piston và các lực tác dụng lên cơ cấu trục khuỷu – thanh truyền giao tâm theo góc quay trục khuỷu $\alpha$ từ $0^\circ$ đến $720^\circ$.

1. Động học của piston

Quy luật chuyển động của piston được xác định theo các công thức giải tích gần đúng:

  • Chuyển vị piston ($S_p$): $$S_p = R \left[ (1 - \cos\alpha) + \frac{\lambda}{4}(1 - \cos 2\alpha) \right]\quad (\text{m})$$
  • Vận tốc piston ($V_p$): $$V_p = \frac{dS_p}{dt} = R \cdot \omega \left( \sin\alpha + \frac{\lambda}{2}\sin 2\alpha \right)\quad (\text{m/s})$$
  • Gia tốc piston ($J_p$): $$J_p = \frac{dV_p}{dt} = R \cdot \omega^2 (\cos\alpha + \lambda\cos 2\alpha)\quad (\text{m/s}^2)$$

Trích xuất kết quả tính toán động học tại một số góc quay tiêu biểu:

Góc quay $\alpha$ ($^\circ$) Chuyển vị $S_p$ (m) Vận tốc $V_p$ (m/s) Gia tốc $J_p$ ($\text{m/s}^2$)
0 (ĐCT) 0 0 10966,23
50,55 0,021953 18,7405 5153,02
81,11 0,048375 21,4918 -732,92
90,10 0,056338 20,9347 -2208,70
140,44 0,091085 10,7668 -6349,72
180 (ĐCD) 0,100000 0 -6579,74
230,30 0,085637 -13,5417 -6007,22
280,61 0,046836 -21,5334 -429,93
320,85 0,013717 -15,7871 7247,91
360 (ĐCT) 0 0 10966,23
  • Giá trị gia tốc đạt cực đại tại Điểm Chết Trên ($\alpha = 0^\circ, 360^\circ, 720^\circ$) với $J_{p\max} = 10966,23\text{ m/s}^2$.
  • Gia tốc tại Điểm Chết Dưới ($\alpha = 180^\circ, 540^\circ$) là $-6579,74\text{ m/s}^2$.
  • Vận tốc piston đạt giá trị lớn nhất ($V_{p\max} \approx 21,53\text{ m/s}$) tại khu vực góc quay quanh $81^\circ$ và $280^\circ$.

2. Động lực học của cơ cấu khuỷu trục – thanh truyền

  • Khối lượng các chi tiết quy dẫn (tra bảng giáo trình Động cơ đốt trong 2):
    • Khối lượng nhóm piston (nhôm hợp kim): $m_{np} = 18\text{ g/cm}^2$.
    • Khối lượng khuỷu trục (gang đúc): $m_k = 18\text{ g/cm}^2$.
    • Khối lượng nhóm thanh truyền: $m_{tt} = 28\text{ g/cm}^2$.
    • Khối lượng thay thế tịnh tiến: $m_A = \frac{1}{3} m_{tt}$ đến $0,7 m_{tt}$.
    • Khối lượng chuyển động tịnh tiến tổng cộng: $m_t = m_{np} + m_A$.
    • Khối lượng chuyển động quay: $m_r = m_k + m_B$.
  • Lực tác dụng:
    • Lực khí thể ($P_{kt}$): Xác định từ đồ thị công chỉ thị $P - V$ và phân bố theo các góc quay từng kỳ (nạp, nén, cháy - giãn nở, thải).
    • Lực quán tính chuyển động tịnh tiến ($P_j$): $$P_j = -m_t \cdot R \cdot \omega^2 (\cos\alpha + \lambda\cos 2\alpha)\quad (\text{MN/m}^2)$$
    • Lực tổng hợp ($P_1$ hay $P_\Sigma$): $$P_1 = P_{kt} + P_j\quad (\text{MN/m}^2)$$

Trích xuất kết quả tính toán động lực học tại các góc quay then chốt:

Góc quay $\alpha$ ($^\circ$) Kỳ công tác Lực khí thể $P_{kt}$ ($\text{MN/m}^2$) Lực quán tính $P_j$ ($\text{MN/m}^2$) Lực tổng hợp $P_1$ ($\text{MN/m}^2$)
0 Nạp 0,0110 -3,6616 -3,6506
90,10 Nạp 0,0940 0,7375 0,8315
180 Nén 0,0449 2,1970 2,2419
270,55 Nén 0,2029 0,7043 0,9072
350,10 Nén/Cháy sớm 7,4990 -3,5747 3,9243
360 ĐCT (Cháy) 9,4367 -3,6616 5,7750
370 Giãn nở 15,0067 -3,5730 11,4338
410,67 Giãn nở 2,3964 -1,7128 0,6836
450,33 Giãn nở 0,8276 0,7493 1,5769
540 Thải 0,2695 2,1970 2,4665
630,61 Thải 0,0110 0,7012 0,7122
720 Cuối thải 0,0110 -3,6616 -3,6506

Lực tổng hợp $P_1$ đạt giá trị lớn nhất bằng $11,4338\text{ MN/m}^2$ tại góc quay $\alpha = 370^\circ$ (ngay sau ĐCT ở đầu hành trình sinh công), do áp suất khí thể sau quá trình cháy đạt cực đại lấn át lực quán tính âm của nhóm piston.

Kết quả và đóng góp

  1. Bộ thông số nhiệt động hoàn chỉnh: Đã giải quyết đầy đủ chu trình tính toán nhiệt động cơ Diesel tăng áp Mercedes Benz Sprinter 2008, xác định áp suất chỉ thị trung bình thực tế $P_i = 0,96\text{ MN/m}^2$, áp suất có ích trung bình $P_e = 0,778\text{ MN/m}^2$, hiệu suất có ích đạt $\eta_e = 36,44%$, hiệu suất chỉ thị $\eta_i = 44,96%$, hiệu suất cơ giới $\eta_m = 81%$, suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị $g_i = 0,19\text{ kg/kW.h}$.
  2. Kiểm nghiệm nhiệt độ khí sót: Nhiệt độ khí sót tính toán đạt $T_r = 750,8\text{ K}$, chênh lệch so với giả thiết $800\text{ K}$ là $6,15%$ (nằm trong giới hạn cho phép $< 10%$).
  3. Bộ dữ liệu động học và động lực học: Lập bảng số liệu và xác định các quy luật biến thiên chuyển vị, vận tốc ($V_{p\max} \approx 21,53\text{ m/s}$), gia tốc ($J_{p\max} = 10966,23\text{ m/s}^2$), lực khí thể, lực quán tính ($P_j$ biến thiên từ $-3,66\text{ MN/m}^2$ đến $+2,20\text{ MN/m}^2$) và lực tổng hợp ($P_{1\max} = 11,4338\text{ MN/m}^2$).
  4. Mô phỏng tự động hóa: Thiết lập mã nguồn MATLAB tự động hóa quá trình dựng giản đồ công $P - V$ và các đồ thị động học, động lực học có hiệu chỉnh các góc phối khí thực tế ($\alpha_1 = 8^\circ, \alpha_2 = 30^\circ, \beta_1 = 52^\circ, \beta_2 = 3^\circ$) và góc phun sớm ($15^\circ$).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Mô hình tính toán nhiệt dựa trên các giả thiết chỉ số nén đa biến ($n_1 = 1,37$) và chỉ số giãn nở đa biến ($n_2 = 1,25$) là hằng số trung bình trên toàn chu trình, chưa phản ánh sự biến thiên tỷ nhiệt môi chất theo nhiệt độ tức thời trong buồng cháy.
    • Phân tích động lực học sử dụng các hệ số khối lượng quy dẫn kinh nghiệm theo diện tích đỉnh piston ($g/\text{cm}^2$), chưa tính toán theo mô hình hình học 3D thực tế của từng cụm chi tiết trên động cơ Sprinter 2008.
    • Đề tài chỉ khảo sát trạng thái cân bằng lực trên cơ cấu trục khuỷu thanh truyền phẳng, chưa xét đến hiện tượng dao động xoắn trục khuỷu và độ mài mòn bạc lót.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Ứng dụng mô phỏng động lực học chất lưu (CFD) để khảo sát trường nhiệt độ và dòng hòa trộn khí nạp – nhiên liệu 3D trong buồng cháy động cơ Diesel.
    • Tính toán độ bền mỏi và dao động xoắn hệ trục khuỷu dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

Giá trị tham khảo

Báo cáo bài tập lớn là tài liệu tham khảo trực tiếp cho:

  • Sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực khi thực hiện đồ án môn học Tính toán Động cơ Đốt trong hoặc các học phần liên quan đến nhiệt động lực học động cơ.
  • Cung cấp mẫu tính toán giải tích chi tiết từ thông số chọn ban đầu, công thức nhiệt động đến giải thuật lập trình MATLAB để vẽ và hiệu chỉnh đồ thị công chỉ thị $P - V$ và đồ thị động lực học $P_{kt}, P_j, P_1$.

Câu hỏi thường gặp

1. Động cơ Mercedes Benz Sprinter 2008 trong đề tài có các thông số kết cấu và vận hành cơ bản nào?

Động cơ thuộc loại Diesel 4 kỳ, tăng áp, gồm 4 xi lanh thẳng hàng; thể tích công tác toàn phần $V_d = 2100\text{ cm}^3$ (thể tích công tác mỗi xilanh $V_h = 0,525\text{ lít}$, thể tích buồng cháy $V_c = 0,03\text{ lít}$); đường kính xilanh $B = 88\text{ mm}$; hành trình piston $S = 88,3\text{ mm}$; tỉ số nén $\varepsilon = 18$; công suất cực đại $80\text{ kW}$ tại $3600\text{ vòng/phút}$; mô-men xoắn cực đại $275\text{ N.m}$ tại $2400\text{ vòng/phút}$.

2. Các chỉ số đa biến và tỷ số giãn nở trong chu trình nhiệt động được xác định bằng bao nhiêu?

Chỉ số nén đa biến trung bình là $n_1 = 1,37$; chỉ số giãn nở đa biến trung bình là $n_2 = 1,25$; tỷ số giãn nở đầu $\rho = 1,41$; tỷ số giãn nở sau $\delta = 12,77$.

3. Áp suất và nhiệt độ lớn nhất của chu trình nhiệt động đạt giá trị bao nhiêu?

Áp suất cực đại của chu trình đạt tại điểm $z$ sau quá trình cháy với $P_z = 9,0624\text{ MN/m}^2$ (với tỷ số tăng áp $\lambda = 1,6$ và áp suất cuối nén $P_c = 5,664\text{ MN/m}^2$). Nhiệt độ cực đại cuối quá trình cháy đạt $T_z = 2053,2\text{ K}$.

4. Giá trị gia tốc và vận tốc cực đại của piston là bao nhiêu ở tốc độ 3600 vòng/phút?

Ở tốc độ định mức $n = 3600\text{ vòng/phút}$ ($\omega = 120\pi\text{ rad/s}$), gia tốc cực đại của piston đạt $J_{p\max} = 10966,23\text{ m/s}^2$ tại Điểm Chết Trên ($\alpha = 0^\circ, 360^\circ$); vận tốc cực đại của piston đạt $V_{p\max} \approx 21,53\text{ m/s}$ tại lân cận góc quay $\alpha = 81^\circ$ và $\alpha = 280^\circ$.

5. Lực tổng hợp cực đại tác dụng lên cơ cấu xuất hiện ở góc quay nào và có giá trị bao nhiêu?

Lực tổng hợp cực đại ($P_{1\max}$) đạt $11,4338\text{ MN/m}^2$ tại góc quay trục khuỷu $\alpha = 370^\circ$ (ngay sau ĐCT ở đầu kỳ giãn nở sinh công), tạo nên bởi sự kết hợp giữa áp suất khí cháy cực đại $P_{kt} = 15,0067\text{ MN/m}^2$ và lực quán tính tịnh tiến $P_j = -3,5730\text{ MN/m}^2$.

Kết luận

Bài tập lớn đã hoàn thành toàn diện việc tính toán nhiệt động và phân tích động học, động lực học cơ cấu piston – trục khuỷu – thanh truyền của động cơ Diesel tăng áp trên xe Mercedes Benz Sprinter 2008. Kết quả tính toán nhiệt khẳng định tính đúng đắn qua sai số nhiệt độ khí sót chỉ $6,15%$, đồng thời xác lập đầy đủ các chỉ tiêu công tác như hiệu suất có ích $\eta_e = 36,44%$ và áp suất chỉ thị $P_i = 0,96\text{ MN/m}^2$. Việc ứng dụng công cụ MATLAB đã số hóa thành công các giản đồ công $P - V$, đồ thị động học và động lực học cơ cấu máy, cung cấp tài liệu kỹ thuật có độ chính xác cao phục vụ học tập và nghiên cứu chuyên ngành động cơ đốt trong.